粗颗粒管道垂直输送特性分析开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1、 目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1管道输送相关背景

直到20世纪下半叶,随着石油工业的发展,管道运输才有了一个较快、较大的发展。伴随着科学技术的进步及环境保护的要求,浆体管道输送将在21世纪有较大的发展。所以我们不难看出相对于其他运输方式,管道水力输送的应用起步较晚,但仅有130多年历史的管道运输,对世界经济的发展产生了深远的影响。其中最典型最普遍的例子就是基于球形颗粒的水中沉降机理,分别建立层流区、过渡区及紊流区的颗粒沉降速度表达式,对影响沉降速度的颗粒粒径、颗粒密度及水温进行敏感性分 析,并考虑颗粒形状及浓度对沉降速度的影响【4】。到了19世纪后期,随着第一批配有离心泵的挖泥船的出现,管道输送技术开始在疏浚过程中得到应用。1891年,美国兴建了第一条输煤管道,随后英国开始利用管道输送煤及石灰石,但年输送量都不超过400×103t,运距也只有20km左右。进入20世纪70年代以后,采用管道水力输送固体物料的国家愈来愈多。据不完全统计,目前全世界己有20多个国家使用这种运输方式。输送固体物料的品种达25种之多【1】,输送总长度近4×l03km,年输送量、输送距离都有很大的发展,而且还研究不同颗粒直径对管道阻力的影响【3】。之所以能有这么快的发展得益于管道运输相较传统的运输方式拥有包括造价在内的众多优势;由于这运输的管道铺设在地下,不会占用大面积的±地,节省耕地;此外地下铺设的风雅不带受到气候条件的影响小。由于管道运输的特殊性,能够适应复杂的地形条件,管道运输可以运送多种物料。

近几十年来 ,中国长输管道技术不断发展 ,水平逐渐提高。特别是高凝含蜡原油的加热输 送、原油热处理及加剂综合处理工艺已达到或接近国际先进水平。【16】

在对成品油顺序输送进行数值模拟研究中,得到了 油品流速、管道形状及输送顺序对成品油顺序输送混油段的影响;首次提出有效扩散系数,建立了管 道顺序输送混油的质量分数一维模型;对管道混油 工况进行了离线模拟,从而及时有效地控制沿线混 油,对混油量的控制、混油切割具有一定的指导意义【15】

管道浆体输送在工程应用中最典型的例子是固体物料的管道水力输送,例如高楼建筑,江河湖库、港口航道、城乡河网的清淤疏浚;采矿和电力行业的精矿砂、尾矿、煤炭、粉煤灰渣的水力输送;核工业铀矿、废水废料的输送;化工、建筑等部门的原材料、中间产品、建筑材料的输送等,都广泛采用了管道水力输送。在一些场合还会使用到加气助推这时又有了新的研究数据【12】

固体物料的管道水力输送技术在很多工业化国家,得到了广泛应用。美国1971年建成的黑密萨管道输送系统,管道长440km,管径457mm,年输送量580t,效率高达99.6%。1977年巴西建成世界上规模最大的Samarco铁精矿管道,管道输送长度410km,输送管径508mm,年输送200×106t。目前国外规划拟建的管道工程中,其输送管径近1m,输送距离超过2×103km,预计年输送量可达25×106~50×l06t,管道水力输送向着远距离、大管径、高浓度方向发展。

在垂直管道的研究上,为降低深海采矿中矿物垂直水力提升中的水击现象,根据垂直管固液两相流的特征【8】,考虑固液两相流密 度、浓度、弹性模量,管内颗粒的速度分布【7】等特点,对垂直管水力提升不稳定流开展研究。推导出粗颗粒—匀质浆体两相流提升水击 压力波波速方程、连续方程和运动方程,并且基于 AMESim 软件搭建了垂直管道水击仿真模型【6】。分析了不同管道长度、不同管道直径以及不同颗粒浓度下的水击特性。仿真结果表明:每增加 18 m 管道长度,平均可以 降低约 12%的压力峰值,同时减小压力波对管道壁的冲击;每增加 10 mm 管道直径,也可以降低约 7% 的压 力峰值,但流速增加,紊流强度增大;粗颗粒浓度每增加 6%,压力峰值相应增加约2%,与此同时对管道壁的 冲击也增加。研究方法及结论对于实际深海采矿中的垂直管道提升具有指导借鉴意义。在挖泥船施工中:为防止挖泥船施工中泥浆泵能耗高、输送阻力大和排泥管道淤堵,以水平管道中泥浆流动过程为研究对象,采用以颗粒动 力学为基础的欧拉双流体模型,对水平管道中泥浆输送的固液两相流进行了 CFD 数值模拟,并与 Durand 模型的计算值和文献中的 试验数据进行了对比这也是研究的一种趋势【13】。不同颗粒直径对管道也有很大的影响,【17】而这些影响可以表现在速度降上【17】

1.2目的及意义

管道输送则是将固体物质粉碎成一定粒径的颗粒与液体拌和制成,在管内呈固/液两相流体,因而流体力学问题较复杂。其输送特点主要为浆体的流动性,浆体的沉积性。管道的磨损性和管道的敷管坡度受限性【7】。,同时还根据垂直管固液两相流的特征,考虑固液两相流密 度、浓度、弹性模量等特点【20】,对垂直管水力提升不稳定流开展研究【5】。其中阻力对其影响更是研究的重点【10】推导出粗颗粒—匀质浆体两相流提升水击 压力波波速方程、连续方程和运动方程,并且基于 AMESim 软件搭建了垂直管道水击仿真模型。【6】更多情况下我们还要研究不同的坡度,对相关参数的影响【7】。以及在水平上不同弯角对相关参数的影响【14】而这些影响有很大的原因来自颗粒对管道的摩擦产生的。【2】

粗颗粒管道输送具有高效性和经济性,在围海造陆、高楼建筑、湖泊清淤等领域得到了广泛应用。研究粗颗粒在管道中的流动特性、固体颗粒的动力学特 性和管道输送的阻力特性,并据此优化输送参数,对于 提高管道输送浓度、降低管道输送阻力、避免管道堵塞及延长输送距离具有重大意义【11】。粗颗粒管道输送中的重 要设计参数有颗粒浓度分布、压降、沉积速度,【9】然而粒度分布对高浓度浆液管流压降和浓度分布的影响18也是我们要考虑的

本次毕业设计重点在总结整理现阶段的研究成果基础上,用新思路来进行数值仿真模拟研究。利用数值仿真进行运算,计算量大、运算快,运算过程连续等特点,用数值仿真计算并绘制管道阻力特性曲线。用此方法可实现对管道流态的动态模拟计算,适用范围更广,条件设置更宽泛,对于完善管道输送技术理论基础,提高管道水力输送工程的设计和运行水平,促进管道水力输送技术的工业化应用可提供一定参考和便捷。


2. 研究的基本内容与方案

1、 基本内容和技术方案

1. 在进行毕业论文任务分析、资料检索、调研的基础上完成开题报告。

2. 熟悉离散单元法数值仿真的基本流程。在查阅文献、资料的基础上,对建立的模型进行分类归纳,在此过程中熟悉各个模型的特点及数学方程。

3. 利用离散单元法分析软件EDEM建立垂直圆管内粗颗粒流动数值模拟的模型, 使用EDEM可以快速、简便的实现颗粒系统的参数化建模,包括导入真实颗粒的CAD模型标定颗粒形状;添加颗粒力学性质、

物料性质和其它物理性质等来完善物理模型。同时EDEM中可直接导入机器设备的通用CAD模型,并对其运动特性进行定义。用EDEM进行仿真模拟分析,绘制出阻力特性曲线。

4. 分析粗颗粒垂直圆管内的流动特性,分析颗粒性质、输送速度以及颗粒浓度等因素对其流动的影响规律。

5. 编制毕业论文报告书,字数要求不低于15000字;所涉及参考文献不低于20篇,其中外文文献不少于5篇,并作200-300汉字/篇的摘要;毕业论文报告书应符合“武汉理工大学本科生毕业设计(论文)撰写规范(理工类)”的要求。

6. 翻译与设计任务有关外文文献一篇,字数不少于1万印刷符。

7. 其他学校规定的工作。


3. 研究计划与安排

3、进度安排

2019年02月16日--02月28日:

调研. 拟定提纲. 完成《开题报告》。

2019年03月01日--03月10日:

阅读参考文献,熟悉离散单元法数值仿真的基本流程。

2019年03月11日--03月20日:

建立垂直圆管内粗颗粒流动数值模拟的模型。

2019年03月21日--04月21日:

分析颗粒性质、输送速度对流动特性的影响规律

2019年04月22日--05月02日:

分析颗粒浓度对流动特性的影响规律

2019年05月03日--05月26日:

结果分析整理,完成并提交毕业论文。


4. 参考文献(12篇以上)

4.阅读的参考文献不少于15篇(其中近五年外文文献不少于3篇)

[1]赵立娟. 不同粒径泥沙管道水力输送阻力特性研究[D].河海大学,2002

[2] Matou#352;Ek V . Distribution andfriction of particles in pipeline flow of sand-water mixtures[J]. Handbook ofPowder Technology, 2001, 10(01):465-471.

[3]王秀兰. 垂直管道大径固体颗粒水力提升摩阻损失的研究[D].辽宁工程技术大学,2005

[4]赵国彦,林春平,洪昌寿.垂直管道颗粒沉降速度的影响因素[J].科技导报,2016,34(02):162-166

[5]李艳,蒋坤,唐达生.垂直管道水力输送的水击研究与AMESim仿真分析[J].广西大学学报(自然科学版),2015,40(02):412-420. [1]李艳,蒋坤,唐达生.垂直管道水力输送的水击研究与AMESim仿真分析[J].广西大学学报(自然科学版),2015,40(02):412-420

[6]邹燚. 粗颗粒固液混合物在管流中水击特性研究[D].中央民族大学,2016

[7]姜威. 粗颗粒浆体管内速度分布及水力坡度的研究[D].辽宁工程技术大学,2015

[8]董喆,刘少军,胡小舟,文豪,彭舸.粗颗粒两相流计算方法研究[J].海洋工程,2018,36(03):110-116

[9]王英伟,曹华德,曹斌,夏建新.含粗颗粒固体物料在垂直管流中水击规律[J].应用基础与工程科学学报,2014,22(05):909-915

[10]陈小宁. 基于CFD的固液两相流流型分析及阻力损失模型的研究[D].昆明理工大学,2017

[11]熊庭,陈芊屹,吴强,张梦达,王旭.基于Eulerian-Lagrangian模型的粗颗粒管道输送数值模拟[J].水动力学研究与进展(A辑),2018,33(04):461-469

[12]邓义斌,范世东,熊庭.泥浆管道输送试验装置设计与试验[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2010,34(06):1213-1216

[13]熊庭,张梦达,危卫,安邦.泥浆管道输送特性的CFD模拟[J].人民黄河,2018,40(04):19-23

[14]张梦达,熊庭,危卫,范世东,温泉.水平弯管内浆体输送特性的数值模拟[J].船海工程,2018,47(03):169-173

[15]陆争光.我国油气管道输送相关技术进展及展望[J].当代化工,2015,44(07):1544-1547

[16]陈欢,杜艳玲.我国原油管道输送技术现状及发展趋势[J].内蒙古石油化工,2012,38(16):109-110

[17 Schaan J , Sumner RJ , Gillies R G , et al. The effect of particle shape on pipeline frictionfor newtonian slurries of fine particles[J]. The Canadian Journal of ChemicalEngineering, 2000, 78(4):717-725.

[18] KaushalD R , Sato K , Toyota T , et al. Effect of particle size distribution onpressure drop and concentration profile in pipeline flow of highlyconcentrated slurry[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2005,31(7):809-823.

[19] Kaushal D R , Tomita Y . Experimental investigationfor near-wall lift of coarser particles in slurry pipeline using γ-raydensitometer[J]. Powder Technology, 2007, 172(3):177-187.

[20]M. C. ROCO and C. A.SHOOK.Modeling of Slurry Flow: The Effect of Particle Size[J].THE CANADIAN JOURNALOF CHEMICAL ENGINEERING, VOLUME 61, AUGUST 1983


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